DE1764801A1 - Halbleitergeraet - Google Patents

Halbleitergeraet

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Lewis Colin Bright
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Associated Electrical Industries Ltd
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Description

Telegromm-Adr.: Potschub, Siegen Postscheckkonten; Köln 10*931, Essen 203 tf Bankkonten: Deutsche Bank AG.,
Abi.: Patentanwalt Dipl.-In8. SCHUBERT, 59 Siegen, Eiserner Straße 227 Filialen Siegan u. Oberhäuten (RhId.)
68 078 Fl/Schm
6. August 1968
Firma ASSOCIATED ELECTRICAL INDUSTRIES LIMITED, 1 Stanhope Gate, London W 1 / England
Pur diese Anmeldung wird die Priorität aus der britischen Patentanmeldung Nr. 36^_528/67 vom 9. August 1967 beansprucht.
Halbleitergerät
Die Erfindung bezieht sich auf Halbleitergeräte.
Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf Halbleitergeräte derjenigen Gattung, bei welcher ein Halbleiterelement vorhanden ist, welches einen ersten Elektrodenbereich besitzt, der von einem größeren Oberflächenbereich des Elementes umgeben ist, dae einen zweiten Elektrodenbereich des Elementes bildet. Ein Beispiel eines solchen Gerätes ist ein Thyristor /thyristor/, wobei der erste Elektrodenbereich dann die Triggerelektrode des Gerätes, die zweite Elektrode eine der Hauptelektroden des Gerätes bildet.
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BAD ORIGINAL
Bei bekannten Geräten der vorumriseenen Gattung wird . die Verbindung nach den ersten und zweiten Elektrodenbereichen normalerweise über ein Paar von koaxialen Elektroden hergestellt, die sich im allgemeinen lotrecht vom zweiten Elektrodenbereich weg erstrecken. Eine solche Anordnung weist den Nachteil auf, daß Wärme nur von der größeren Oberfläche des Halbleiteaiementes gegenüber dem zweiten Elektrodenbereich wirksam abgeführt oder abgeleitet werden kann.
Es ist ein Ziel (Aufgabe) der Erfindung, ein Halbleitergerät der vorgenannten Gattung zu schaffen, bei welchem der voraufgeführte Nachteil überwunden wird·
Erfindungsgemäß umfaßt ein Halbleitergerät ein Halbleiterelement, welches einen ersten Blektrodenbereich aufweist, der von einem größeren Oberflächenbereich des Elementes umgeben ist, welches einen zweiten Elektrodenbexeich des Elementes bildet, wobei die elektrische und thermische Verbindung nach dem zweiten Elektrodenbereich hin durch einen thermisch und elektrisch leitfähigen Bauteil bewirkt wird, welcher über dip zweiten Elektrodenbereich liegt bzw. ihn überdeckt und an der Stelle des ersten Elektrodenbereiches ausgespart ist, wÄhrend die elektrische Verbindung nach dem ersten Elektrodenbereich durch eine leitfähige Ader oder Leitung bewirkt wird, weiche durch einen seitwärts verlaufenden Durchlaß oder Kanal im besagten Bauteil geführt wird.
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BAO ORIGINAL
Vorzugsweise wird der leitfähige Bauteil eher getrennt vom Halbleiterelement als daran anhängend angeordnet bzw. ausgebildet, wobei das Element und der Bauteil in Druckkontaktverbindung stehen. Eine Schicht aus einem Edelmetall wird vorzugsweise zwischen dem Halbleiterelement und dem leitfähigen Bauteil angeordnet.
Um die Erfindung deutlich zum Ausdruck zu bringen, werden nunmehr einige Ausführungsformfcn anhand der die Erfindung beispielsweise wiedergebenden Zeichnung näher beschrieben, und zwar zeigt
Fig. 1 schematisch im Querschnitt einen Thyristor gemäß
der Erfindung,
Fig. 2 eine Modifikation des Thyristors der Fig. 1,
während
Fig. 3 einen weiteren Thyristor nach der Erfindung wiedergibt.
Der in Fig. 1 dargestellte Thyristor weist ein Siliciumthyristorelement /silicon thyristor element/ 2 auf, und zwar in Form einer kreisförmigen Scheibe, die an einer Basis 4» vorzugsweise aus Molybdän oder Wolfram, angebracht ist, welche elektrischen und thermischen Anschluß nach der unteren Fläche 6 der Scheibe schafft, wie aus der Zeichnung zu sehen. Elektrische und thermische Verbindung nach einem größeren Teil der oberen Oberfläche 8 der Scheibe wird, mit Druckkontakt daran, durch einen leitfähigen Bauteil in Form eines Blockes 10 bewirkt bzw. geschaffen, welcher in Silber-Kupfer-Silber-Bimetall-Bauart oder aus Kupfer mit Goldschichten vorgesehen sein kann, wie im Folgenden anhand der Fig. 2 beschrieben wird.
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Das Thyrietorelement 2 weist eine zentrale Triggerelektrode 12 auf, welche in die obere Oberfläche 8 des Elementes eingebracht let, welche aber, wie dargestellt, über die Ebene dieser Oberfläche vorragen kann.
Elektrische Verbindung nach der Triggerelektrode 12 ist über eine Leitung 14 vorgesehen, welche sich von außerhalb des Blockes 10 nach dieser Elektrode erstreckt. Um einen Durchlaß für diese Leitung H vorzusehen, ist der leitfähige Bauteil mit einem seitlich verlaufenden Kanal oder einer Rille 16 versehen, welcher bzw. welche an der oberen Oberfläche 8 des Elementes 2 liegt /facing/. An der Position der Triggerelektrode 12 vergrößert sich der Kanal 16, um eine Aussparung 18 zu bilden, welche ein Teilstück der Leitung 14 aufnimmt, die von der Elektrode 12 her nach oben verläuft. Der Kanal 16 endet vorzugsweise in der Aussparung 18. Die Leitung 14 ist mit einer isolierenden Hülle 20 versehen, welche elektrischen Kontakt zwischen ihr und dem Block 10 sowie dem Element 2 verhindert.
Eine zusammengesetzte Bauteilgruppe, welche die Teile aufweist, die gerade beschrieben worden sind, eignet sich besonders zur Einkapselung in eine scheibenartige Umhüllung. Eine solche Hülle kann, wie dargestellt, zwei metallische Abdeckungen 22 und 24 einschließen, welche an einem ringförmigen isolierenden Bauteil 26 angebracht werden, und zwar an axial entgegengesetzten Seiten davon, und so ausgebildet sind, daß sie die Bauteilgruppe an ihrer Stelle in der Umhüllung lokalisieren.
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Die Abdeckungen 22 und 24 bestehen vorzugsweise aus einem Metall, welches ungefähr den gleichen Dehnungskoeffizienten aufweist wie der keramische Ring. Ihre Dicke beträgt zweckmäßig etwa 0,2 Millimeter, so daß infolge ihrer Nachgiebigkeit die Abdeckungen 22 und 24 gegen die angrenzenden Bauteile der zusammengesetzten Bauteilgruppe drücken und die Bauteilgruppe zusammenhalten. Wenn das Gerät zwischen zwei druckbeazispruchten Wärmekanälen /pressure-loaded heat-sinks/ (nicht dargestellt) montiert wird, ermöglicht darüber hinaus die Flexibilität der Abdeckungen 22 und 24, daß der notwendige Kontaktdruck zwischen dem leitfähigen Block 10 und dem Halbleiterelement 2 aufgebaut bzw. hergestellt wird. Die leitung 14 nach der Triggerelektrode 12 hin wird seitwärts aus dem Gerät herausgebracht, und zwar durch ein Metallrohr 28, welches durch den Ring 26 hindurch geführt wird.
Bei einem Verfahren, das Gerät zusammenzusetzen, wird zuerst die Abdeckung 22 an einen unteren Teil des keramischen Ringes 26 gelötet /brazed/, und ein Metallring 27, an welchem die obere Abdeckung 24 anschließend befestigt werden kann, wie beispielsweise durch Stirnstoß /edge welding/, wird an einen oberen Teil des keramischen Ringes gelötet. Danach wird die Basis 4, welche das Element 2 trägt, wobei die Leitung 14 mit der Triggerelektrod· 14 in Verbindung steht, in einer Aussparung 30 in der Abdeckung 22 in Stellung gebracht, welche dazu dient, diese Teile der zusammengesetzten Bauteilgruppe an ihrer Stelle zu lokalisieren, indem seitliche Bewegung dieser innerhalb der Hülle verhindert wird, wobei diese Aussparung 30 durch ein nach außen vertieftes zentrales Teilstück der Abdeckung 22 gebildet wird. Der leitfähige
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Block 10 wird dann in seine Stellung gebracht, und die Abdeckung •24, welche ein nach außen vertiefte· zentrales Teilstück aufweist, das eine Aussparung 32 bildet, die über den Block 10 paßt, wird an letzteren angelegt und mit de» Ring 27 verschwelet, um die Einkapselung zu vervollständigen und den Block 10 in seiner Stellung zu lokalisieren. Während die Abdeckung 24 angeschweißt wird, wird sie gegen den keramischen Ring 26 gepreßt, so daß die Abdeckungen 22 und 24, welche passend ausgebildet und in Bezug auf die Dicke der zusammengesetzten Bauteilgruppe bemeseen sind, aufgrund ihrer Nachgiebigkeit den erforderlichen Druck liefern, um die Bauteilgruppe zusammenzuhalten.
Der Metallring 27, an welchen die Abdeckung 24 geschweißt ist, ist von geflanschter Form bzw. Flansch-Form, alt einer zylindrischen Oberfläche 34, welche eine obere zylindrische Oberfläche dea keramischen Ringes 26 umgibt und mit dieser verlötet ist. Die Abdeckung 22 wird einstückig mit einem peripheren zylindrischen Flansch 36 gebildet, welcher in ähnlicher Weise eine untere zylindrische Oberfläche des keramischen Ringes 26 umgibt und daran angelötet ist.
In Fig· 2, auf welche nunmehr Bezug genommen wird, hat eine Modifikation des in Fig. 1 dargestellten fhyriators einen ' konduktiven bzw. leitfähigen Block 10*, welcher, anstatt mit einem Kanal, wie beispielsweise 16, versehen zu sein, ein Loch 16* durch diesen hindurch gebohrt hat, parallel mit seiner Kontaktfläche, um einen Durchlaß für die Leitung 14 vorzusehen; das Loch
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trifft auf eine zentrale Aussparung 18· im Block um die Triggerelektrode 12 herum. Diese Konstruktion weist den Vorteil oder Vorzug auf, da8 der Block 10* Kontakt über der gesamten größeren Oberfläche β des Elementes 2 schafft.
Wenn auch der Block 10* ein bimetallischer Silber-Kupfer-Silber-Block sein kann, kann es voreuziehen sein, einen Kupferblock mit separaten Goldschichten 40 bzw. 42, über seinen Kontakt-Oberflächen, zu verwenden. Die Goldechichten 40 und können zweokmäflig in der Form von Folien vorgesehen werden.
Um die Wahrscheinlichkeit des Versagens aufgrund thermischer Ermüdung zu verrIngen, können die Goldschichten 42 zwischen dem Halbleiterelement 2 und dem leitfähigen Block 10* durch eine Molybdänscheibe /molybdenum washer/ (nicht dargestellt) ersetzt werden, welcher «wischen den beiden Goldsohiohten (nicht dargestellt) eingeschichtet oder angeordnet wird. Bei einer solchen Anordnung kann eine Molybdänecheibe, deren Oberfläche zuerst vernickelt und dann mit einer eingebrannten aufgedampften Goldschicht /fired-in gold evaporated layer/ versehen wird, zweckmäßig verwendet werden.
Das anhand der Fig. 2 beschriebene Gerät kann in einer ähnlichen Weise wie der anhand der Fig. 1 beschriebenen zusammengesetzt werden. Bei einem alternativen Verfahren wird zuerst der leitfähige Bauteil 10* in die Aussparung 32 in der Abdeckung
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hinein verlötet, und das Halbleiterelement 2, mit der Leitung H angefügt oder angebracht, wird dann in Kontakt mit dem Bauteil 10' angeordnet, wobei sich die Leitung H durch den Kanal 16 hindurch erstreckt. Die Basis 4 und die Abdeckung 22 werden dann in ihre Position gebracht, und die Bauteilgruppe wird in der vorbeschriebenen Weise angedichtet. Um dieses alternative Montageverfahren zu erleichtern, ist es vorzuziehen, die Komponenten umzukehren und sie in der umgekehrten Weise wie der in Fig. 2 dargestellten zusammenzubauen.
Ein Thyristor mit einer solchen Konstruktion, wie sie anhand der Fig. 1 oder der Fi^. 2 beschrieben worden ist, weist gegenüber früheren Thyristor-Bauarten mit zentraler Triggerelektrode den bedeutenden und wichtigen Vorteil auf, daß Wärme von beiden größeren Oberflächen des Elementes wirksam abgeleitet werden kann; mit anderen Worten, die Konstruktion sorgt für doppelseitige kühlung. Bei den früheren Bauarten war, wenn auch etwas Wärme über den Zapfen /stem/ einer Elektrode abgeleitet werden konnte, was elektrische Verbindung nach einer der größeren Oberflächen des Elementes mit sich brachte /affording/, nur die Basis angrenzend an die andere größere Oberfläche davon in direkter thermischer Verbindung mit einem effektiven Wärmekanal bzw. Kühlmantel /heat sink/; daher war die Kühlung im wesentlichen einseitig.
Die Erfindung liefert auch Vorteile in Bezug auf Thyristoren mit herkömmlicher Einkapselung, die für einseitige Kühlung vorgesehen sind. Bei solchen Geräten kann das Halbleiterelement normalerweise nur in einer Weise oben /one way up/ angebracht werden.
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Die Verwendung eines leitfähigen Blockes, wie beispielsweise 10 oder 10', lim elektrische Verbindung nach einer der größeren Oberflächen eines solchen Thyristors herzustellen, macht es möglich, daß ein Standard-Zentral-Trigger-Halbleiterelement auf beide Arten oben angebracht werden kann, um' so ein Gerät beliebiger Polarität, wie gewünscht, zu schaffen. Eine solche Konstruktion ist in Pig.· 3 dargestellt, bei welcher ein leitfähiger Block 10', ähnlich demjenigen der Pig. 2, für eine Verbindung zwischen einer der größeren Oberflächen eines Thyristorelementes 2 und einer Basis 44 des Gerätes sorgt, welches an einen Wärmekanal geklemmt oder angebracht würde. Eine Leitung 14 nach einer zentralen Triggerelektrode 12, welche sich in der unteren Oberfläche 8 des Elementes 2 befindet, wenn das Element so ausgerichtet ist, wie in der Zeichnung dargestellt, wird durch das Loch 16' im Block 10' herausgeführt und durch einen Isolator 46 in einer Wand 48 der Geräteinkapeelung hindurch.
Elektrische Verbindung nach der anderen größeren Oberfläche (über die Basis 4, an welcher das Element angebracht ist) wird durch einen leitfähigen Bauteil bewirkt oder geliefert, der eine Scheibe 50 aufweist, welche über der Baaie 4 liegt, und einen integralen Zapfen 50A1 weloher eich vom Element axial weg erstreckt. Die Scheibe 50 wird in Druckkontakt mit der Beis gehalten, und zwar durch bekannte Mittel, welche eine Federanordnung 52 aufweisen, die in vereinfachter Porm dargeetellt ist. Das
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Element 2 könnte gleichermaßen gut, beim Zusammenbau des Gerätes, in der anderen Weise nach oben eingesetzt werden, wobei seine Basis 4 an oder auf der Basis 44 des Gerätes liegt und mit dem Block 10' zwischen ihr und der Scheibe 50: folglich kann die Polarität des Gerätes nach Wunsch gewählt werden, wenn es zusammengebaut wird, wobei die gleiche Art des Elementes in beiden Fällen verwendet wird.
Die Erfindung betrifft auch Abänderungen der im beiliegenden Patentanspruch 1 umrissenen Aueführungsform und bezieht sich vor allem auch auf sämtliche Erfindungsmerkmale, die im einzelnen — oder in Kombination — in der gesamten Beschreibung und Zeichnung offenbart sind«
Patentansprüche
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Claims (3)

PATENTANWALT Telefon: (02 71) 3 «0» DIPL-ING. ERICH SCHUBERT 17£/ολ<·™·*'°«»»-"'■■■ ">··*<">,» -· Köln 10ί931,Ε$»βιΐ2036ϊ' . : " · Bankkonten: Abt.: Potentanwoll Dipl.-Ing. SCHUBERT, S9 Siegen, Eiserner Str. 227 Deufid» Bank AG., Pottfach 325 Filialen Siegen u. Oberhäuten (RhId.) 68 07& ffl/A 6. 8. 1968 Patentansprüche
1. Halbleitergerät, welches ein Halbleitereleaent (2) aufweist, das einen ersten ^lektrodenbereich (12) hat, der τοη eines größeren Uberflächenbereich des Elementes umgeben iat, welches einen zweiten .·: · ektrodenbereich (β) bildet, dadurch gekennzeichnet, daß elektrische und thürmiache Verbindung nach de^ zweiten iSlektrodenbereich durch einen thermisch und elektrisch leitfähigen Bauteil (10) bewirkt wird, velcher über den zweiten Llektrodanbereich liet;t und eine Aussparung (itf) an der stelle des ersten ilektrodenbereiches aufvalet, und daß elektrische Verbindung naoh dem ersten Elektrodenbereich über eine leitfähig Ader oder Leitung (H) bewirkt wird, welohe durch einen seitlich rerlaufenden Durchgang (16) im besatten Bauteil geführt 1st.
2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dar leitfähige uauteil und der zweite Klektrodenbereioh in Druckkontaktrerbindunt; stehen.
3. Gerät nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß dar Durchlaß in J»Ore eines Lochte rorgesthen let, welches ron dar Auaaparung her nach aiaer Saitenwand das 1eitfähigen Bauteile in
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einer Richtung parallel zur größeren Oberfläche des Elementes verläuft.
4. Gerät nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schicht (40) eines -Edelmetalls zwischen dem Halbleiterelement und dem leitfähigen Bauteil angeordnet oder eingeschoben ist.
5. Gerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein dünner planarer Bauteil aus Molybdän, welcher eine Goldschicht an jeder Hauptfläche aufweist, zwischen dem Halbleiterelement und dem leitfähigen Bauteil vorgesehen ist.
6. Gerät nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterelement mit seiner größeren Oberfläche (6) gegenüber dem zweiten üektrodenbereich in elektrischer und thermischer Verbindung mit einem zweiten thermisch und elektrisch leitfähigen Bauteil (A) angebracht ist, wobei das Gerät geeignet ist, mit einem oder mit beiden der leitfähigen Bauteile in gutem thermischen Kontakt mit einem rfärmekanal bzw. Kühlmantel /heat sink/ angebracht zu werden.
7. Gerät nach Anspruch 6t dadurch gekennzeichnet, daß die Bauteilgruppe, welche das Halbleiterelement und die beiden leitfähigen Bauteile aufweist, zwischen zwei metallischen planaren Acdeckungsteilen (22 und 24) geschichtet ist, welche
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gegen die gegenüberliegenden Enden eines ringförmigen Bauteils aus isolierendem Material (26) abgedichtet sind, welcher die Bauteilgruppe umgibt, um einen scheibenartigen Einschluß zu bilden.
3. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß jeder leitfähige Bauteil sich in einer Aussparung (30 oder 32) befindet, welche im angrenzenden Abdeclcungsbauteil gebildet wird.
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DE19681764801 1967-08-09 1968-08-08 Halbleitergeraet Pending DE1764801A1 (de)

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